Ερευνητές Ανάπτυξαν Συλλογές Μικρορομποτ που Κινηθούν σε Επιθυμητές Διαμορφώσεις

Μια ομάδα ερευνητών από διάφορες ερευνητικές εγκαταστάσεις, συμπεριλαμβανομένου του Ινστιτούτου Max Planck για τα Ευφυή Συστήματα (MPI-IS), του Πανεπιστημίου Cornell και του Πανεπιστημίου Shanghai Jiao Tong, έχουν αναπτύξει συλλογές μικρορομποτ που μπορούν να κινηθούν σε οποιαδήποτε επιθυμητή διαμόρφωση.

Η έρευνα ήταν υπό την ηγεσία των Gaurav Gardi και Prof. Metin Sitti από το MPI-IS, Steven Ceron και Prof. Kirstin Peterson από το Cornell, και Prof. Wendong Wang από το Πανεπιστήμιο Shanghai Jiao Tong.

Η έρευνα με τίτλο “Μικρορομποτικές Συλλογές με Αναμορφώσιμες Μορφές, Συμπεριφορές και Λειτουργίες” δημοσιεύθηκε στο Nature Communications.

Αναμορφώνοντας τα Μικροσκοπικά Σωματίδια

Τα μικροσκοπικά σωματίδια μπορούν να αναμορφώσουν τη συμπεριφορά της συλλογής πολύ γρήγορα. Όταν επιπλέουν στην επιφάνεια του νερού, τα μικρορομποτικά δίσκοι μπορούν να κινηθούν σε κύκλους, να χορέψουν γύρω, να διασκορπιστούν σαν αέριο, να συναθροισθούν ή να σχηματίσουν μια ευθεία γραμμή.

Κάθε μεμονωμένο ρομπότ είναι λίγο μεγαλύτερο από το πλάτος των ανθρώπινων μαλλιών και είναι τρισδιάστατα εκτυπωμένα χρησιμοποιώντας ένα πολυμερές πριν από την επικάλυψη με ένα λεπτό εξωτερικό στρώμα κοβαλτίου. Το μέταλλο δίνει στα μικρορομπότ τη δυνατότητα να γίνουν μικρομαγνητικά, ενώ οι σπείρες του καλωδίου δημιουργούν einen μαγνητικό πεδίο όταν ρέει ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτό το μαγνητικό πεδίο επιτρέπει στα σωματίδια να μετακινούνται με ακρίβεια γύρω από ένα πεδίο νερού ενός εκατοστού.

Ένα εντυπωσιακό παράδειγμα είναι όταν τα ρομπότ σχηματίζουν μια γραμμή, η οποία μπορεί να μετακινηθεί από τους ερευνητές για να “γράψουν” γράμματα στο νερό.

Η ανάπτυξη της συλλογικής ρομποτικής επηρεάζεται από τη συλλογική συμπεριφορά και τα μοτίβα της συλλογής στη φύση, όπως ένα σμήνος πουλιών. Η εφαρμογή της συλλογικής συμπεριφοράς των ρομποτικών έχει εκραγεί σε δημοτικότητα πρόσφατα.

Ωστόσο, όταν το μεμονωμένο σωματίδιο είναι πολύ μικρό για υπολογισμό ή ένα ρομπότ έχει μόνο 300 μικρόμετρα πλάτος, δεν μπορεί να προγραμματιστεί με έναν αλγόριθμο. Για να αντισταθμιστεί αυτό, οι ερευνητές πρέπει να βασιστούν σε τρεις διαφορετικές δυνάμεις. Η πρώτη είναι η μαγνητική δύναμη, η οποία εμφανίζεται όταν δύο μαγνήτες με αντίθετους πόλους ελκύονται ή δύο ομοιόμορφοι πόλοι απωθούν ο ένας τον άλλον.

Η δεύτερη δύναμη είναι το υγρό περιβάλλον, ή το νερό γύρω από τους δίσκους. Αυτό μπορεί να φανεί όταν τα σωματίδια κολυμπούν σε ένα σπείραμα νερού, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα το νερό να μετατοπίζεται και η αλλαγή των γύρω σωματιδίων. Η ταχύτητα του σπείραματος και η μαγνητική δύναμη καθορίζουν πώς αλληλεπιδρούν τα σωματίδια.

Η τρίτη δύναμη αφορά δύο σωματίδια που επιπλέουν δίπλα-δίπλα, τα οποία συχνά οδηγούν στο να πλωρούν προς τα μέσα. Η επιφάνεια του νερού είναι καμπυλωμένη με τρόπο που τα φέρνει κοντά.

Διεύθυνση των Ρομποτών

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν όλες τις τρεις δυνάμεις για να δημιουργήσουν μια συλλογική και συντονισμένη κίνηση για δεκάδες μικρορομπότ ως ένα σύστημα. Οι επιστήμονες μπορούν να οδηγήσουν τα ρομπότ μέσω ενός πάρκου ενώ εμφανίζουν τη διαμόρφωση που ταιριάζει καλύτερα σε ένα δεδομένο εμπόδιο. Για παράδειγμα, τα μικρορομπότ θα ευθυγραμμιστούν σε μια seule γραμμή για να περάσουν από một στενό πέρασμα.

Τα ρομπότ μπορούν να επιτύχουν πολλές διαφορετικές τρόπους κίνησης και διαμορφώσεις, οι οποίες επιτυγχάνονται μέσω εξωτερικής υπολογιστικής. Ένας αλγόριθμος προγραμματίζεται για να δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο, είτε περιστρεφόμενο είτε ταλαντευόμενο, και αυτό προκαλεί την επιθυμητή κίνηση των ρομποτών.

Ο Gaurav Gardi είναι φοιτητής διδακτορικού στο Τμήμα Φυσικής Ευφυΐας του MPI-IS. Είναι ένας από τους βασικούς συγγραφείς της μελέτης μαζί με τον Steven Ceron.

“Ανάλογα με τον τρόπο που αλλάζουμε τα μαγνητικά πεδία, οι δίσκοι συμπεριφέρονται με διαφορετικό τρόπο”, λέει ο Gaurav Gardi. “Είμαστε σε διαδικασία ρύθμισης μιας δύναμης και μετά μιας άλλης μέχρι να πάρουμε την κίνηση που θέλουμε. Αν περιστρέψουμε το μαγνητικό πεδίο μέσα στις σπείρες πολύ έντονα, η δύναμη που προκαλεί το νερό να κινηθεί είναι πολύ ισχυρή και τα σωματίδια απομακρύνονται. Αν περιστρέψουμε πολύ αργά, τότε η δύναμη που προκαλεί τα σωματίδια να έλκονται είναι πολύ ισχυρή. Πρέπει να βρούμε την ισορροπία μεταξύ των τριών.”

Ερευνητές στο πεδίο εργάζονται επίσης για να κάνουν αυτούς τους τύπους μικρορομποτικών συλλογών ακόμη μικρότερους.

“Η όρασή μας είναι να αναπτύξουμε ένα σύστημα που είναι ακόμη μικρότερο, αποτελούμενο από σωματίδια μόνο ένα μικρόμετρο. Αυτές οι συλλογές θα μπορούσαν να πάνε μέσα στο ανθρώπινο σώμα και να πλοηγηθούν μέσα από σύνθετα περιβάλλοντα για να παραδώσουν φάρμακα, για παράδειγμα, για να μπλοκάρουν ή να ανοίξουν περάσματα, ή να διεγείρουν μια δύσκολα προσιτή περιοχή”, λέει ο Gardi.

Ο Metin Sitti ηγείται του Τμήματος Φυσικής Ευφυΐας.

“Ρομποτικές συλλογές με robustές μεταβάσεις μεταξύ συμπεριφορών κίνησης είναι πολύ σπάνιες. Ωστόσο, τέτοιες ποικίλες συστήματα είναι επωφελή για να λειτουργήσουν σε σύνθετα περιβάλλοντα. Είμαστε πολύ χαρούμενοι που κατάφεραμε να αναπτύξουμε τέτοια robust και ανάγκη αναμορφώσιμη συλλογή. Βλέπουμε την έρευνά μας ως ένα σχέδιο για μελλοντικές βιοϊατρικές εφαρμογές, ελάχιστα εισβολικές θεραπείες ή περιβαλλοντική αποκατάσταση”, λέει ο Metin Sitti.